Histoire de la surveillance sismique (#Instruments)

Les séismes étant la cause ou la conséquence d’autres aléas (éruptions volcaniques, tsunamis…), les mesurer permet d’anticiper les risques en évacuant les populations vulnérables. Mais comment les surveiller ?

Quelques définitions

  • Sismogramme : représentation visuelle des mouvements du sol (le plus souvent un tracé).
  • Sismographe : appareil composé d’un sismomètre et qui génère des sismogrammes.
  • Sismomètre : capteur de mouvement permettant de mesurer les déplacements du sol.
  • Sismoscope : appareil permettant d’identifier un séisme.
Un sismographe en action
Un sismographe en action

La naissance du sismoscope

L’histoire de la sismométrie commence en Asie de l’Est, vers 132. A l’époque, le savant chinois Zhang Heng créé un appareil, le Houfeng Didong Yi, dont le nom signifie littéralement « Instrument pour la mesure des vents saisonniers et des mouvements de la Terre ».

Il s’agit d’une jarre entourée de 8 têtes de dragons, dont la gueule contient une boule. Sous chaque tête de dragon se trouve une grenouille. La disposition de ces dragons et grenouilles est effectuée de manière à ce que chaque paire d’animaux constitue un point cardinal.

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Le Houfeng Didong Yi, plus vieux sismoscope connu.

Lorsqu’un séisme survient, le pendule situé à l’intérieur de la jarre entre en mouvement. Il soulève alors le haut de la gueule des dragons, libérant la bille de cuivre qui tombe dans la gueule de la grenouille située en contrebas. La position des billes indique alors la direction de l’épicentre du séisme.

En 138, grâce à ce mécanisme, Zhang Heng détecte un tremblement de terre survenu à 640 km de la cour chinoise où il faisait sa démonstration.

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Représentation du savant chinois Zhang Heng sur un timbre datant de 1955

Sismoscopes européeens

Il faudra attendre 1703 pour que naisse la première ébauche de sismoscope européen. L’abbé français Jean de Hautefeuille (1647-1724) imagine alors un système très rudimentaire : un récipient est rempli de mercure à ras-bord. Les secousses provoquées par un tremblement de terre font déborder le liquide visqueux en dehors du récipient.

En notant l’endroit du débordement et la quantité de liquide tombée, il pensait pouvoir identifier la direction et la distance à l’épicentre d’un séisme.

D’autres personnes auront l’idée d’utiliser le même principe, notamment l’italien Atanasio Cavalli en 1784 ou encore son compatriote Nicolo Cacciatore en 1818.

En 1731, l’italien Nicola Cirillo invente un autre type de sismoscope constitué d’un simple pendule qui oscille selon les mouvements de la terre.

L’italien Andrea Bina utilise le même principe en 1751 mais propose de faire osciller le pendule au-dessus du sable afin de visualiser ses mouvements.

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Exemple de sismographe imaginé par Bina

Pour la première fois, l’instrument a pour but de garder une trace des vibrations provoquées par le séisme : c’est le début des sismographes.

Du sismoscope au sismographe

Petit à petit, observer les séismes quand ils surviennent ne suffit plus aux scientifiques qui souhaitent en garder une trace.

Le premier instrument du genre est un sismographe à mouvement vertical créé en 1855 par le météorologue italien Luigi Palmieri.

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Le sismomètre de Luigi Palmieri

Celui-ci se compose de tubes en formes de U remplis de mercure, orientés selon les points cardinaux. En s’agitant, le mercure créé un contact électrique qui permet d’enregistrer les mouvements d’un flotteur à sa surface, et stoppe une horloge afin d’identifier approximativement le moment où les mouvements ont eu lieu.

14 ans plus tard, en 1869, l’allemand Johann Karl Friedrich Zollner invente un tout nouveau type de sismographe. Cette fois le mouvement n’est plus mesuré verticalement mais horizontalement via un système de suspension. Le système est alors très proche de certains sismographes horizontaux modernes.

La société sismologique du Japon

En 1880, la sismologie prend un nouveau tournant. Trois professeurs britanniques enseignants les sciences de la Terre au Japon, s’intéressent de près aux tremblements de terre après qu’un séisme de forte intensité ait frappé la ville de Yokohama.

John Milne, Thomas Gray et James Ewing décident de créer la société sismologique du Japon, la première association de l’histoire consacrée aux séismes.

John Milne, le principal instigateur de la société sismologique du Japon

Durant cette période, les avancées en matière de sismologie connaissent une avancée spectaculaire et les sismographes évoluent en conséquence. John Milne, le principal initiateur de la société sismologique, propose l’idée de multiplier le nombre d’instruments, multipliant ainsi le nombre de mesure et augmentant leur précision.

C’est avec les avancées prodigieuses de ce groupe de sismologues que vont être découverts les premiers principes fondamentaux régissant le fonctionnement des sismographes verticaux modernes, en particulier le rôle central du ressort qui conduira à l’invention des sismographes passifs.

Sismographes passifs

Les sismographes passifs sont les plus connus du grand public. Ils se composent principalement d’un support, solidement ancré dans le sol et relié à un ressort. Ce ressort maintient une aiguille lestée par un poids.

Principe de fonctionnement d'un sismographe passif
Source : Principe de fonctionnement d’un sismographe passif (source : http://svt.marquion.pagesperso-orange.fr)

L’aiguille enregistre donc les mouvements du ressort sur papier. Connaissant la longueur et la raideur du ressort, on en déduit alors les mouvements du sol.

C’est ce tracé, iconique des sciences de la Terre, que l’on appelle un sismogramme.

Sismographe
Un exemple de sismogramme

Plus tard, les scientifiques ont mis au point le sismographe électronique. Ceux-là utilisent un aimant à la place de l’aiguille. La boîte qui maintient le ressort en place est entourée de fils métalliques. Le déplacement relatif de l’aimant par rapport à la boîte engendre alors des variations de champ magnétique qui induisent l’apparition de courants électriques. Ces variations de courants électriques permettent alors de quantifier la vitesse de déplacement du sol. Ces appareils étant reliés à un ordinateur, les mesures sont enregistrées en temps réel sur des disques durs. Fini donc les tonnes de papiers à archiver, toutes les données sont stockées et archivées au fur et à mesure.

Le problème des sismographes passifs, c’est aussi sa pièce maîtresse : le ressort. En effet, lorsque le sol cesse de s’agiter, le mouvement du ressort continue à cause de l’inertie de la masse. Cette tendance à osciller de manière exagérée, au démarrage et à l’arrêt du séisme, a tendance à fausser le sismogramme (le tracé).

Pour pallier ces défauts, les scientifiques ont mis au point les sismomètres.

Des sismographes aux sismomètres

Dans les années 1980, une nouvelle génération de sismographes voit le jour, les sismographes actifs. Par opposition aux passifs, ces sismomètres appliquent une forme de résistance aux mouvements du sol.

Plutôt que de les mesurer en se laissant « porter » par le mouvement, les sismomètres asservis appliquent une force contraire, dans le but de conserver une charge immobile.

Pour mieux se représenter l’action d’un tel système, nous allons le comparer à un régulateur de vitesses sur une voiture.

Sur autoroute, le régulateur de vitesse permet de conserver une vitesse constante (130 km/h). Malheureusement, il est rare que la route soit plate sur toute la durée du trajet. Le relief va donc influer sur la vitesse de la voiture.

Lorsque la voiture grimpe une côte, celle-ci nécessite plus de puissance, elle a donc tendance à ralentir. A l’inverse, une voiture qui descend une côte aura tendance à accélérer de par son inertie.

Pour faire en sorte de maintenir cette vitesse, un capteur doit donc la mesurer en temps réel. En fonction, un processeur effectue des corrections pour que la vitesse reste la plus stable possible. C’est ce que l’on appelle un système asservi : selon les données reçues par un capteur, un processeur contrôle des actionneurs afin d’être au plus près d’une valeur de consigne.

Dans notre situation, la voiture est remplacée par une masse. Un capteur mesure en temps réel la position de cette masse. Ici, l’élément perturbateur n’est plus le relief de la route mais bien les vibrations de la Terre.

Le but du jeu cette fois, n’est pas de conserver une vitesse constante, mais de maintenir la masse dans la position la plus stable possible. Pour ce faire, une bobine électrique exerce une force électromagnétique plus ou moins forte. C’est la mesure de cette force de rappel qui permet de récupérer des données sur les déplacements du sol.


Courte période, longue période, qu’est-ce que c’est ?

Comme nous avons pu le voir, l’intérêt principal du sismographe est de garder une trace des secousses d’un séisme après son passage. Dans tous les cas, un oscillateur mécanique (pendule ou ressort), permet de suivre les mouvements du sol le plus précisément possible.

Dans un prochain article (le lien sera mis ici), j’expliquerai plus en détail la notion d’onde, indispensable à la compréhension des séismes. Mais pour faire simple, une onde sismique est une déformation qui se propage dans le sol. Plus l’on est proche de l’épicentre, c’est-à-dire le lieu où le séisme survient, plus les mouvements du sol seront importants.

Le nombre de déplacement du sol en une seconde défini la fréquence. Par exemple, une fréquence de 50 Hz correspond à 50 déplacements du sol en une seconde. Plus l’on est proche de l’épicentre et plus la fréquence est importante.

La période, c’est l’inverse de la fréquence, c’est-à-dire le temps qui s’écoule entre deux déformations. Une période de 50 Hz correspond donc à des déformations toutes les 1/50 = 0.02 secondes.

Les sismographes courte-période permettent donc de mesurer des séismes proches ou puissants, à l’inverse des sismographes longue période.


Réseaux sismiques

La détection en continu des mouvements du sol tout autour de la Terre est rendue possible par la création de réseaux de mesure sismiques. Le premier du genre est le WorldWide Network of Standard Seismographs (WWNSS), né dans les années 1960.

Ces réseaux se composent de plusieurs stations sismiques, composées elles-mêmes de plusieurs sismomètres, qui mesurent différents types d’ondes, verticales, horizontales, de longue ou de courte période.

Les réseaux sismiques sont très utiles car ils permettent de gagner en précision sur la localisation de l’épicentre du séisme en couvrant tout un territoire.

En France, le premier réseau sismique est créé dans les années 1980. Il s’agit du ReNass (Réseau National de Surveillance Sismique). Celui-ci se compose aujourd’hui de 75 stations courtes-périodes.

Les stations composant le ReNass, réseau français de stations sismiques

Le réseau sismologique français s’est largement élargi avec la création du RESIF (Réseau Sismologique et géodésique Français), qui a d’ailleurs intégré le ReNass. Créé par le CEA (Commissariat à l’Energie Atomique), l’INSU (Institut National des Sciences de l’Univers) et le BRGM (Bureau de Recherche Géologique et Minière), il comprend 842 stations.

Sismomètres géants

Les années 1980 voient l’apparition d’une nouvelle technologie révolutionnaire : le GPS. Celle-ci est liée à l’envoi de satellites en orbite autour de la Terre.

Les satellites émettent un signal à des antennes terrestres. Ce système se comporte alors comme un gigantesque sismomètre : contrairement aux antennes terrestres, le satellite en orbite n’est pas soumis aux vibrations du sol. Par triangulation, il devient alors possible de mesurer avec précision la position des antennes, et de constater leurs mouvements relatifs au sol.

Le fonctionnement du GPS (source : Disaster, pour une fois !)

Au début des années 2000, les technologies satellites ont permis l’essor d’une autre technique : l’interférométrie radar. Cette fois, le satellite joue le rôle de l’émetteur et du récepteur. Il envoie un signal radar, qui, une fois reflété par le sol, est reçu et enregistré par un détecteur embarqué. Lorsque le radar survole un endroit déjà survolé, il compare la différence de phase entre les deux échos. Si une déformation du sol a eu lieu, l’écho va donc mettre plus ou moins de temps à être reçu par le satellite.

Par superposition des deux échos, on peut donc représenter visuellement un séisme.

Le principe de l’interférométrie radar (source : https://www.effigis.com )

Contrairement au GPS, cette technologie présente l’avantage de ne pas nécessiter de récepteurs terrestres dont le nombre est limité. En revanche, elle a ses limites. Déjà, pour être efficace, le satellite doit pouvoir survoler exactement le même endroit, ce qui n’est pas toujours le cas, ou du moins cela peut prendre du temps… De plus, le milieu doit pouvoir réfléchir le signal radar sans obstacles ni mouvements, ce qui n’est pas le cas des forêts et océans.

Les séismes sous-marins

Et justement, parce que les deux tiers de la surface de la Terre sont occupés par les océans, il n’est pas toujours facile de mesurer les séismes, même via des systèmes GPS. C’est pourquoi d’autres appareils, mesurant d’autres caractéristiques spécifiques aux séismes sous-marins, ont vu le jour : les marégraphes. Mais ça c’est une autre histoire d’instrument…

La plupart des jonctions entre les plaques se trouvent immergées. Les marégraphes permettent de pallier le problème de la mesure des séismes sous-marins. (source : Futura-Sciences.com)

Sources utilisées pour cet article

Bibliographies

  • Bernard, Pascal. Pourquoi la terre tremble ? 2017.
  • Robert, Christian, et al. Géosciences: la dynamique du système Terre. Belin, 2013.
  • Bouley, Sylvain, et Hélène Fournié. Les risques naturels en 300 questions-réponses. Delachaux et Niestlé, 2011.
  • Winston, Robert, et al. Sciences année après année: l’encyclopédie visuelle des découvertes qui ont marqué le monde. Flammarion, 2014.

Liens

Documents

  • lenhardt, wolgang. Seismometry.

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